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利用电活性微生物构建的生物电池凭借其优越的环境适应性及生物兼容性，在生理环境监测、组织整合、植入式设备供电等领域展现出独特优势，为可持续电源供应提供了创新性方案。为了提升生物电池的功率输出，前期研究人员探索了多种优化策略，包括重定向代谢通量以增强NAD⁺的生物合成、引入纳米材料或导电聚合物以增强导电性能、设计3D电极以增加生物被膜负载和光利用率，以及构建微生物群落以实现劳动分工等等。然而，现有生物电池的功率密度普遍较低，仍难以满足家庭或工业级用电设备的需求。因此，实现设备的微型化和便携性，能够推动该技术对于毫瓦级能量需求设备（如物联网（IoT）设备或植入式应用）的适用性。尽管纳升水凝胶液滴制造、微流控技术、折叠纸电池技术等微型化技术已取得了一定进展，但开发能够兼容现有设备的微型便携式生物电池仍然面临多重挑战。近日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所材料合成生物学研究中心钟超团队联合先进集成技术研究所神经工程研究中心刘志远团队、深圳大学王任衡团队，在Advanced Materials期刊发表了题为“3-D Printable Living Hydrogels as Portable Bio-energy Devices”的文章，并入选该刊第21期内封面文章。研究开发了直径20毫米、高度32毫米的微型便携式微生物燃料电池，创新性地整合了生物电刺激装置，通过刺激神经元实现了对电生理和血压的精准调节，在疾病治疗方面有较大应用潜力（图1）。该研究推动了便携式生物器件的发展，拓展了活体能源材料的研究前沿。希瓦氏菌生物被膜的储能模量（G´）大于损耗模量（G´´），呈现出弹性固体状水凝胶的特性，使其能够进行3D打印（图2）。研究人员成功打印出多种定制形状和几何图形，涵盖一维到三维，如蜘蛛网、大面积网、叶子、点阵列，甚至一个1厘米高的三维金字塔。3D环境为生物体系的功能发挥提供了良好的场所，研究进一步将其封装在藻酸盐水凝胶中，确保细菌细胞在生物装置制造和后续使用过程中的活力。10%的藻酸盐水凝胶表现出粘性液体状特性，其损耗模量（G´´）高于储能模量（G´）。为了增加粘度，研究人员在水凝胶中添加了纳米纤维素，当纳米纤维素含量从10%增加到30%时，水凝胶转变为弹性固体胶。考虑到生物能源装置的制备，研究人员进而在水凝胶中引入了005%的氧化石墨烯，不仅增强了导电性，同时还提升了粘弹性。包含希瓦氏菌的活体水凝胶可以作为阳极材料，另外将K₃[Fe(CN)₆]封装在藻酸盐水凝胶中可以作为阴极材料。为了展示生物能源装置的潜力，将阳极生物墨水和阴极墨水装入单独的墨盒中，可打印出叉指电极，展示了定制化和自动化制造的潜力。活/死检测结果展示，细菌在水凝胶中仍然可以保持活性，并可将氧化石墨烯（GO）还原为还原氧化石墨烯（rGO）（图3）。具体来看，C1s XPS光谱显示，与GO对照样品相比，MR-1 rGO样品中C-C/C=C键的百分比显著增加（从276%增加到486%），而C-O/C=O键的百分比相应减少（从724%减少到515%），这表明含氧C键显著减少。拉曼光谱中D峰和G峰的强度比（ID/IG）与sp2共轭区域成反比，该比值从098增加到12，为GO的成功还原提供了有力证据；并且，强度比（ID/IG）在约3天时达到平台期，这意味着水凝胶中的GO已完全还原。此外，水凝胶中的GO对S oneidensis MR-1的生长没有显著影响，在浓度范围为05 mg/mL至5 mg/mL的GO条件下，均未观察到抑菌圈的形成。在整个培养过程中，细菌的存活率保持在80%以上，充分表明其代谢活性得以保存。拉曼成像图案显示出GO还原在水凝胶中的均一性。受锂离子电池制造技术启发，研究人员利用活体水凝胶作为生物阳级墨水，含有K₃[Fe(CN)₆]的海藻酸盐水凝胶作为阴极墨水，Nafion膜作为离子交换膜，制备出直径20毫米、高度32毫米的微型生物电池（图4）。该电池的发电源于水凝胶内细菌的代谢活动，在细菌生长10小时后，生物电池能够达到450毫伏的电压。该生物电池可以进行自充电，实现长达10次的自充电-放电循环。在整个循环中，细菌维持了超过70%的高存活率，在循环结束时存活率更是高达97%，这充分证明细菌在电池内部仍然保持着生长和代谢活动。生物电池的电压随着阴极中K₃[Fe(CN)₆]浓度的增加而升高。同样，细菌在连续运行100小时后，也保持了超过90%的高存活率。另外，本项目开发的生物电池也可以作为赝电池进行充放电，在50个循环中都保持了995%以上的库伦效率，展现出极低的能量损失、卓越的稳定性能以及更长的使用寿命。该生物电池的比容量为04 mAh g⁻¹，最大功率密度约为831 µW cm⁻²，能量密度为0008 Wh/L。尽管与传统的锂离子电池相比，生物电池的能量密度和功率输出较低，但它避免了使用关键原材料（如钴和锂）和环境有害成分（如锰、有机电解质和六氟磷酸盐），为可持续能源战略进行了技术储备。本项目进一步探究了生物电池在神经刺激方面的应用（图5），以期在疾病治疗领域发挥重要作用。研究人员通过添加电容器，实现了生物电池电能的可控收集和释放，进而能够精准控制刺激的输出电压和电流。在刺激坐骨神经并监测其神经信号和肌电信号的实验中，研究人员发现，随着刺激强度的增加，诱发的神经动作电位和肌内肌电信号的幅度逐渐增大。这种诱发电位的获取在电刺激干预和促进生物体的恢复和治疗方面具有重要应用价值。此外，研究人员将可控电刺激电路的输出端通过电极连接到大鼠的迷走神经上，成功实现了对大鼠血压的调节。在刺激前，大鼠的血压保持在基线水平；对迷走神经施加电刺激后，大鼠血压表现出统计学上显著的降低（p<001）。这种干预方法与现有的超声干预等物理治疗方法具有相似的效果。停止刺激后，大鼠的血压由于其内在血压调节机制逐渐呈现上升趋势，接近基线水平。在刺激期间，收缩压、舒张压、脉压、心率和平均动脉压与刺激前水平相比，均出现了显著降低（p<001），这主要源于迷走神经对心血管功能的抑制作用。研究利用活体水凝胶成功制备出微型便携式生物电池，通过生物电池对神经刺激的调控，探索了其在疾病治疗领域的应用潜力。本项目阐明了3D限域微环境对微生物代谢活性与能量输出效率的协同调控规律，为生物电子装置的集成化和标准化发展奠定了理论和实践基础，不仅拓宽了材料合成生物学的领域前沿，未来可持续能源的开发与应用提供了创新性解决方案。中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所钟超课题组副研究员王新宇为论文第一作者和共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员钟超、先进集成技术研究所研究员刘志远，深圳大学物理与光电工程学院教授王任衡为该论文的共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院先进集成技术研究所刘志远课题组副研究员韩飞、高级工程师周小猛，深圳大学博士生肖哲为论文共同第一作者。德国开姆尼茨工业大学研究员朱旻棽也为本论文提供了宝贵意见。该研究成果获得科技部合成生物学重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市材料合成生物学重点实验室、深圳市自然科学基金重点项目、深圳合成生物学创新研究院等的资助。文章上线截图图1 微型便携式生物电池创制和生物电刺激应用示意图图2 3-D打印活体水凝胶图3 活体水凝胶的性能表征图4 生物电池的制备和性能表征图5 生物电池用于神经刺激

生物电池凝胶研究刺激

系统管理员 2025-04-08 03:06:29

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近日，中国科学院深圳先进技术研究院集成所智能仿生研究中心徐升团队与澳门大学杨志新团队合作，在机器人学习领域取得突破，提出了一种基于三维视觉融合注意力机制的端到端多模态模型——Fusion-Perception-to-Action Transformer（FP2AT）。该算法通过融合全局与局部体素网格特征，结合本体感知信息，显著提升了机器人在复杂三维场景中的精细操作能力。研究成果以“Fusion-Perception-to-Action Transformer: Enhancing Robotic Manipulation With 3-D Visual Fusion Attention and Proprioception”为题，发表于机器人领域顶级期刊IEEE Transactions on Robotics，论文第一作者为澳门大学-中国科学院深圳先进技术研究院联合培养博士生刘杨骏，徐升副研究员和杨志新副教授为共同通讯作者，先进院和澳门大学为共同第一单位。研究背景：三维操作亟需“类人”感知与规划能力传统机器人操作多依赖二维图像观测，难以捕捉三维空间中的物体结构、位置及姿态关系，导致精细化操作任务（如拔插、旋拧、堆叠）成功率低。虽然体素表示（Voxel Grid）能保留丰富的三维空间信息，但现有方法存在特征利用率低、动作预测分辨率不足等问题。人类在完成精细操作时，可通过灵活切换全局视野与局部聚焦，结合手部本体感知动态调整动作。受此启发，研究团队提出了一种“类人”的多模态感知到动作操作框架。核心创新：基于三维视觉融合注意力机制的端到端多模态模型——Fusion-Perception-to-Action Transformer（FP2AT）（图2），其中具体包括： 1、设计全局-局部视觉融合注意力（HVFA-3D），模拟人类“先全局观察、再局部聚焦”的视觉感知模式，增强对关键操作区域的关注（图1）。提出三维视觉互注意力机制（VMA-3D），实现跨尺度空间信息双向交互，提升场景理解能力。 2、集成关节力位、末端力/力矩、夹爪状态数据，感知接触力与运动状态，提升机器人对周围环境接触、本体运动和协调的感知能力。渐进式动作预测框架，先通过低分辨率体素全局规划，再基于高分辨率局部体素微调动作，保持网络端到端特性的同时提升预测精度。 3、提出关键规划步数指标（ANKA），用于评估同类算法执行效率和规划能力。实验结果：成功率提升，效率显著优化研究团队在多个仿真（RLBench）和真实机械臂（UR5）任务上验证了FP2ATs的性能（视频），平均成功率较体素SOTA方法提升344%，较点云SOTA方法提升146%。展现出有更好的规划能力（如避障等），减少的关键规划步数。应用前景：面向通用任务的智能机器人该工作所提出的FP2AT理论具有强泛化性能，能够适配不同机器人操作平台，通过多模态感知与智能操作规划，引导机器人完成多样化复杂操作任务。该工作是团队在学习控制领域的进一步拓展，将来可与具身智能、人形机器人相结合，应用于家庭服务、医疗护理、工业生产、化学试验等各类场景。研究资助本研究在国家自然科学基金面上项目、澳门科技发展基金、广东省、深圳市、澳门大学等科技项目资助下完成。图1 | 体素重建与“类人”视觉感知图2 | Fusion-Perception-to-Action Transformer网络架构图3 | 面向家庭及医疗服务的仿真及实际实验验证

操作 机器人 感知规划提升

系统管理员 2025-04-08 03:04:52

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3月10日,“人机智能交互及功能康复”中日国际联合实验室在中国科学院深圳先进技术研究院正式揭牌。该联合实验室由深圳先进院集成所神经工程研究中心与日本国立电气通信大学合作共建。日本国驻广州总领事贵岛善子,日本国立电气通信大学副校长正本和人,深圳先进院党委书记、副院长吴创之,中国科学院国际合作局亚非处高级业务主管陈海涛等出席活动。日本国立电气通信大学建立于1918年,该校在生命健康、机器人、智能材料、光学等研究领域具有重要影响力。近年来依托各级各类项目支持,深圳先进院集成所神经工程研究中心与日本国立电气通信大学在智能假肢、康复外骨骼等方向上产出了丰富的合作成果。基于双方长达十余年的良好合作关系,2024年9月25日,深圳先进院与日本国立电气通信大学签署联合实验室合作共建协议。联合实验室的建立将就“个性化智能假肢”“自主康复穿戴式设备”“面向少子高龄化社会的机器人技术”“脑机接口及多源信息融合解码”等方向进行联合攻关,共同解决助老助残以及深度高龄化社会所面临的肢体运动功能代偿、辅助及康复等问题。揭牌仪式上,贵岛善子发表致辞,表示目前老龄化和肢体残障的社会问题日益凸显,联合实验室的建立将对解决双方助老助残的共同课题具有重大意义。吴创之在讲话中肯定了双方前期在神经康复、智能机器人等方面取得的成绩,对未来双方进一步加深合作交流、拓展合作领域及提高国际影响力方面寄予厚望。与会双方均表达了国际科技合作在技术创新与突破上的重要性,希望通过联合实验室建立的契机,进一步加深双方在学生交流、青年学者交流、技术转化等相关领域的合作,建立开放合作、互惠共赢的国际化科技与人才交流通道。会上双方进一步就联合实验室的研究方向与工作内容进行了深入探讨。中日国际联合实验室揭牌 2024年9月25日签约仪式

联合合作双方 实验室 康复

系统管理员 2025-03-17 07:39:51

研究单元

汽车电子 研究中心

系统管理员 2025-02-27 14:22:34

研究单元

视觉 研究中心 机器

系统管理员 2025-02-27 14:20:06

研究单元

研究室 人机控制

系统管理员 2025-02-27 13:50:35

研究单元

研究室 环绕系统智能模式

系统管理员 2025-02-27 13:40:56

研究单元

技术中心 工程光电

系统管理员 2025-02-27 13:40:06

研究单元

工程神经 研究中心

系统管理员 2025-02-27 13:37:56

研究单元

技术 研究中心 交互认知

系统管理员 2025-02-27 13:18:09